过磷酸钙添加对猪粪好氧堆肥CH4和N2O排放的影响及其微生物学机制研究

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集约化、规模化的畜禽养殖产生了大量的粪便,若不加以资源化利用不仅占用土地资源,还引发了一系列的环境问题,严重制约了畜牧业的健康可持续发展。好氧堆肥是实现畜禽粪便利用的有效方法,但是在堆肥过程中会产生诸如甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等温室气体,进一步加剧全球变暖。过磷酸钙是一种碳氮调理剂,有研究表明其能降低堆肥过程中的碳氮损失,从而减缓环境污染。然而,有关过磷酸钙影响温室气体CH4和N2O排放的研究结果并不一致,且缺乏相关微生物学机制的探究。因此,本论文以条垛式猪粪堆肥为研究对象,研究过磷酸钙添加对堆肥CH4和N2O排放的影响,初步探究过磷酸钙添加影响堆肥碳氮循环过程的微生物学机制,为寻求有效的好氧堆肥过程温室气体减排措施提供依据。本研究以猪粪和秸秆为原料进行条垛式好氧堆肥试验,设置猪粪+秸秆原料堆肥(对照)和猪粪+秸秆+过磷酸钙堆肥(添加过磷酸钙处理)两堆肥处理,利用静态暗箱-气相色谱法原位观测堆肥CH4和N2O的排放通量,同时检测分析不同时期堆肥样品的理化性质。此外,在此基础上利用Real-time q-PCR技术研究了与CH4排放相关的功能基因(mcrA、pmoA)、硝化功能基因(氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌AOB)和反硝化作用相关功能基因(nirK、nirS和nosZ)的丰度变化。通过相关性分析探究过磷酸钙添加对堆肥CH4和N2O排放的微生物学机制。主要研究结果如下:(1)猪粪好氧堆肥共历经60天,先后经历升温、高温和降温三个阶段,其中高温期维持了18天,达到了无害化的标准。对照和添加过磷酸钙处理的N2O排放趋势一致,排放峰值在堆肥的降温腐熟期出现。堆肥结束时,对照处理和添加过磷酸钙处理的N2O累计排放量分别为2.35g·m-2和1.18g·m-2。与对照相比,添加过磷酸钙减少了 49.8%的N2O排放。过磷酸钙处理增加了堆体NH4+-N含量,降低了NO3--N含量和pH。N2O排放通量与堆体NO3--N含量、含水率和C/N有关。(2)对N2O相关功能基因进行q-PCR分析,发现过磷酸钙添加处理中nirK基因丰度较低,而nosZ基因丰度较高。nirK基因丰度与NO3--N呈极显著正相关,而与NH4+-N呈极显著负相关,nosZ与此相反。含水率对nirK基因丰度呈极显著负相关。另外,温度只与nosZ基因丰度之间存在显著的正相关关系,pH对N2O相关功能基因均无显著相关关系。因此,过磷酸钙主要是通过影响NH4+-N和NO3--N等底物有效性和nirK和nosZ等反硝化过程的功能基因丰度,最终达到减少N2O排放。(3)猪粪堆肥过程中CH4排放主要集中在堆肥初期。与对照相比,添加过磷酸钙可使CH4排放量减少33.8%。CH4排放与mcrA有极显著的正相关关系,添加过磷酸钙处理减少了mcrA基因丰度,从而减少了CH4排放。此外,过磷酸钙添加导致堆肥pH的降低,这对甲烷氧化也有促进作用。过磷酸钙添加增加了SO42-的含量,但与CH4之间的微生物学机制还需进一步研究。综上所述,过磷酸钙添加对猪粪好氧堆肥过程中CH4和N2O均有减排潜力。NH4+-N和NO3--N是影响N2O排放的环境因子,nirK和nosZ基因共同作用减少N2O排放。CH4的减排与mcrA基因丰度的减少、pH的降低有关,SO42-的含量与CH4排放之间的关系尚不明确,有待进一步研究。
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